Computação quântica
A computação quântica é um campo de rápido crescimento da pesquisa de computador com aplicativos comerciais esperados em um futuro próximo. A esta altura, os computadores quânticos ultrapassarão os computadores tradicionais em certas tarefas, que incluem modelagem molecular e de materiais, otimização logística, modelagem financeira, criptografia e treinamento de inteligência artificial.
Fundamentos da computação quântica
Os computadores tradicionais são construídos a partir de chips de silício contendo milhões ou bilhões de transistores em miniatura. Cada um deles pode ser ligado - no entendimento da máquina, este é um estado "0" ou "1". Posteriormente, o computador armazena e processa os dados usando " números binários " ou " bits ".
Os computadores quânticos funcionam com "bits quânticos" ou " qubits ". Eles podem ser suportados em hardware de maneiras diferentes - por exemplo, usando as propriedades mecânicas quânticas de circuitos elétricos supercondutores ou íons individuais presos.
Qubits podem existir em mais de um estado ou " superposição"Ao mesmo tempo. Isso permite que um qubit assuma o valor "1", "0" ou ambos ao mesmo tempo. Isso permite que um computador quântico processe muito mais dados do que um computador clássico e execute um processamento paralelo maciço. Isso também significa que cada qubit adicionado a um computador quântico aumenta exponencialmente seu poder.
A maioria das pessoas se perde ao ouvir sobre as propriedades de um qubit. Uma moeda lançada não pode dar cara e coroa ao mesmo tempo. E ainda assim, o estado quântico de um qubit pode fazer algo semelhante. Portanto, não é surpreendente que o famoso físico nuclear Niels Bohr disse uma vez: "Quem não fica chocado com a teoria quântica simplesmente não a entende!"
Além das superposições, os qubits podem ficar emaranhados. " Emaranhamento”É outra propriedade chave da mecânica quântica, o que significa que o estado de um qubit pode depender do estado de outro. Isso significa que observar um qubit pode revelar o estado de seu par não observável.
É muito difícil criar e gerenciar qubits. Muitos dos processadores quânticos experimentais de hoje usam fenômenos quânticos que ocorrem em materiais supercondutores e, portanto, precisam ser resfriados a quase zero absoluto (cerca de 272 graus Celsius negativos). A proteção contra ruído de fundo também é necessária e, mesmo assim, a realização de cálculos usando qubits exigirá correção de erros. O principal objetivo da computação quântica é criar uma máquina tolerante a falhas.
Pioneiros quânticos
As empresas que atualmente desenvolvem hardware para computadores quânticos incluem: IBM, Alibaba, Microsoft, Google, Intel, D-Wave Systems, Quantum Circuits, IonQ, Honeywell, Xanadu e Rigetti. Muitos deles trabalham em conjunto com grupos de pesquisa em grandes universidades e todos continuam a fazer progressos significativos. A seguir, uma visão geral do trabalho de cada uma dessas empresas.
IBM
A IBM trabalha em um computador quântico há mais de 35 anos. Ela fez progressos significativos com várias máquinas funcionando. De acordo com o site IBM-Q: “Hoje, a computação quântica é um playground para pesquisadores, mas em cinco anos ela se tornará a tendência. Em cinco anos, o efeito da computação quântica irá além do laboratório de pesquisas. Ele será amplamente utilizado por novas categorias de profissionais e desenvolvedores que usam esse novo método de computação para resolver problemas que antes eram considerados intransponíveis. "
Em 2016, a IBM lançou um sitechamado IBM Q Experience, que mostrou um computador quântico de 5 qubit para toda a Internet. Desde então, ele foi acompanhado por uma segunda máquina de 5 qubit e uma máquina de 16 qubit, ambas disponíveis para experimentação. Para ajudar aqueles que desejam aprender e participar da computação quântica, a IBM oferece uma plataforma de software de computação quântica de código aberto chamada Qiskit .
Em novembro de 2017, a IBM anunciou que duas máquinas de 20 qubit estavam sendo adicionadas à sua nuvem quântica. Eles podem ser usados por clientes que são membros registrados da IBM Q Network... A IBM o descreve como "uma comunidade mundial de empresas líderes da Fortune 500, startups, instituições acadêmicas e laboratórios de pesquisa nacionais trabalhando com a IBM para o avanço da computação quântica e explorar aplicações práticas para negócios e ciência."
Também em novembro de 2017, a IBM anunciou que havia projetado um processador quântico de 50 qubit, que na época era considerado o hardware quântico mais poderoso.
Computador quântico de 50 qubit da IBM
Em janeiro de 2019, a IBM anunciou seu IBM Q System Onecomo "o primeiro sistema de computação quântica aproximada universal integrado do mundo desenvolvido para uso científico e comercial." Este sistema modular e relativamente compacto é projetado para uso fora do laboratório. Você pode ler mais sobre o IBM Q System One neste comunicado à imprensa .
Outro gigante da tecnologia que está trabalhando duro para tornar a computação quântica uma realidade é o Google, que tem um laboratório de IA quântica. Em março de 2017, os engenheiros Masood Mohseni, Peter Reed e Hartmut Neven que trabalham nas instalações publicaram um artigo na Nature . Nele, eles disseram que a computação quântica é possível em dispositivos relativamente pequenos que aparecerão nos próximos cinco anos. Isso confirma a visão da IBM do timing da computação quântica comercial.
Nos primeiros dias da computação quântica, o Google usava uma máquina da empresa canadense D-Wave Systems. No entanto, a empresa está agora desenvolvendo ativamente seu próprio equipamento e, em março de 2018, anunciou um novo processador quântico de 72 qubit chamadoBristlecone .
Em junho de 2019, o diretor do laboratório de inteligência artificial quântica do Google Hartmut Neven relatou que o poder de seus processadores quânticos está crescendo exponencialmente duas vezes. Isso tem sido chamado de "Lei de Nevan" e sugere que podemos chegar ao ponto de superioridade quântica, onde um computador quântico pode superar qualquer computador clássico até o final de 2019.
Em outubro de 2019, uma equipe de engenheiros do Google publicou um artigo na Nature, em que ela afirmou ter alcançado superioridade quântica. Especificamente, os cientistas do Google usaram um processador quântico chamado Sycamore para amostrar a saída de um circuito quântico pseudo-aleatório. Sycamore levou cerca de 200 segundos para fazer uma amostra de uma instância do esquema um milhão de vezes. Em comparação, a equipe do Google calculou que um supercomputador clássico levaria cerca de 10.000 anos para realizar os mesmos cálculos. A equipe então concluiu: “Processadores quânticos baseados em qubits supercondutores agora podem realizar cálculos além do alcance dos supercomputadores clássicos mais rápidos disponíveis hoje. Este experimento marca o primeiro cálculo que só pode ser executado em um processador quântico. Assim, os processadores quânticos alcançaram o regime de supremacia quântica. "
Essa revelação dos engenheiros do Google foi uma grande notícia, mas logo gerou polêmica. A IBM publicou uma postagem no blog dizendo que os cálculos do experimento do Google poderiam ser feitos em um computador clássico em dois dias e meio, não em 10.000 anos. E de acordo com a IBM: "Já que o significado original do termo 'supremacia quântica', conforme proposto por John Preskill em 2012, era descrever o ponto em que os computadores quânticos podem fazer o que os computadores clássicos não podem - esse limite ainda não foi cruzado."
Alibaba
Na China, o principal gigante da Internet é o Alibaba , não o Google. E em julho de 2015, eles se fundiram com a Academia Chinesa de Ciências para formar o "CAS Quantum Computing Laboratory - Alibaba". Conforme explicado pelo Professor Jianwei Pan, seu objetivo é "conduzir pesquisas de ponta em sistemas que parecem mais promissores para a implementação de aplicações práticas de computação quântica e quebrar os gargalos da Lei de Moore e da computação clássica." Você pode visitar o site do laboratório aqui .
Como a IBM, o Alibaba disponibilizou online um computador quântico experimental. Especificamente, em março de 2018, o gigante chinês de e-business lançou sua "nuvem de computação quântica supercondutora" para fornecer acesso a um computador quântico de 11 qubit. Ele foi desenvolvido com a Academia Chinesa de Ciências e permite aos usuários executar programas quânticos e baixar resultados.
Microsoft
Como você pode esperar, a Microsoft também está interessada em computação quântica e está trabalhando com alguns dos principais cientistas e universidades do mundo. Para esse fim, a Microsoft estabeleceu vários laboratórios Station Q , como o laboratório da Universidade da Califórnia. Em fevereiro de 2019, a empresa também anunciou a Microsoft Quantum Network para reunir todas as coalizões de parceiros.
Um elemento-chave da estratégia da Microsoft é desenvolver computadores quânticos baseados em " qubits topológicos”Que a empresa acredita que será menos sujeito a erros (portanto, menos recursos do sistema são necessários para corrigir os erros). A Microsoft também acredita que os qubits topológicos serão mais fáceis de escalar para aplicativos comerciais. De acordo com um artigo de maio de 2018 na Computer Weekly, o vice-presidente de Quantum Computing da Microsoft acredita que os computadores quânticos comerciais podem atingir sua plataforma de nuvem Azure em apenas cinco anos.
No lado do software, em dezembro de 2017, a Microsoft lançou uma prévia de sua ferramenta de desenvolvedor de computação. O download é gratuito e inclui uma linguagem de programação chamada Q #e um simulador de computação quântica. Em maio de 2019, a Microsoft anunciou que abriria o código da ferramenta para desenvolvedores. E em maio de 2020, a empresa anunciou seu serviço de computação em nuvem Azure Quantum .
Intel
A Intel, como fabricante líder mundial de microprocessadores, também está trabalhando em chips para computação quântica. A empresa adota duas abordagens diferentes. Uma dessas áreas está sendo desenvolvida em colaboração com a QuTech, a líder holandesa pioneira em computação quântica . Em 17 de novembro de 2017, a Intel anunciou a entrega de um chip de teste de 17 qubit para seu parceiro na Holanda. Então, em janeiro de 2018 na CES, a empresa anunciou a entrega de um processador de teste quântico de 49 qubit chamado Tangle Lake .
A segunda linha de pesquisa da computação quântica da Intel é inteiramente interna e envolve a criação de processadores baseados em uma tecnologia chamada spin qubit" Esta é uma inovação importante porque os chips spin qubit são fabricados usando os métodos tradicionais de fabricação de silício da Intel. Em junho de 2018, a Intel anunciou que tinha começado a testar um chip qubit de 26 spin.
Os qubits de spin da Intel têm apenas cerca de 50 nanômetros de diâmetro, ou 1/1500 da largura de um cabelo humano. Isso significa que talvez em dez anos, a Intel será capaz de produzir minúsculos processadores quânticos contendo milhares ou milhões de qubits. Ao contrário dos processadores convencionais, eles precisam ser resfriados quase até o zero absoluto. Mas o potencial é realmente emocionante. De acordo com a seção Site de computação quântica da Intel, a empresa pretende produzir processadores quânticos por dez anos e espera que a tecnologia entre em sua "fase comercial" por volta de 2025.
Sistemas D-Wave
A D-Wave Systems é pioneira em computação quântica com base no Canadá e demonstrou um computador quântico de 16 qubit em 2007. Em 2011, a empresa vendeu uma máquina D-Wave One de 128 qubit por US $ 10 milhões para a Lockheed Martin, uma corporação industrial militar dos EUA. Em 2013 - 512 qubit D-Wave Two para NASA e Google. Em 2015, a D-Wave quebrou a barreira de 1.000 qubit com seu D-Wave 2X e, em janeiro de 2017, vendeu seu primeiro D-Wave 2000Q de 2.000 qubit para a firma de segurança cibernética Temporal Defense Systems.
Ao ler esta lista de realizações, você pode ter chegado à conclusão de que a D-Wave deve ser o fabricante líder mundial de computadores quânticos. Afinal, essa é a única empresa que vende essas máquinas. No entanto, o trabalho da empresa continua controverso. Isso ocorre porque seu equipamento é baseado em um processo “adiabático” denominado “ recozimento quântico ” , que outros pioneiros descartaram como “restritivo” e “beco sem saída”. A IBM, por exemplo, está adotando uma abordagem "baseada em portas" para a computação quântica que permite controlar os qubits de maneira semelhante a como um transistor controla o fluxo de elétrons em um microprocessador convencional. Mas não existe tal controle no sistema D-Wave.
Em vez disso, o computador quântico D-Wave tira vantagem do fato de que todos os sistemas físicos tendem a estados de energia mínima. Então, por exemplo, se você fizer uma xícara de chá e for viajar a negócios - quando voltar, estará frio, pois o conteúdo tende ao estado mínimo de energia. Os qubits no sistema D-Wave também são propensos a isso, e por isso a empresa usa seus equipamentos para resolver problemas de otimização, que podem ser expressos como "problemas de minimização de energia" Isso limita as possibilidades, mas ainda permite que o hardware execute certos algoritmos muito mais rápido do que um computador clássico. Você pode assistir ao vídeo no qual D-Wave explica sua abordagem à computação quântica.
Em agosto de 2016 no artigoA Physical Review X relatou que alguns algoritmos são executados até 100 milhões de vezes mais rápido no D-Wave 2X do que em um processador clássico de núcleo único. Um dos autores deste estudo foi o CTO do Google. Tudo isso sugere que a opinião sobre o valor da D-Wave para o desenvolvimento da computação quântica permanece controversa.
A empresa continua a promover seus computadores quânticos. Em outubro de 2018, a D-Wave lançou uma estrutura de aplicativo quântico baseado em nuvem chamada Leap . Ele fornece acesso em tempo real ao computador quântico D-Wave 2000Q, e o acesso foi expandido em março de 2019 para fornecer essa capacidade para o Japão e toda a Europa.
Rigetti
Outro jogador no campo da computação quântica é uma startup chamada Rigetti . A empresa já emprega mais de 120 pessoas e construiu um computador quântico de 19 qubit, disponível online por meio de seu ambiente de desenvolvimento chamado Forest .
Circuitos Quânticos
Outra startup é Quantum Circuits , fundada pelo professor líder de computação quântica, Robert Schölkopf e outros colegas da Universidade de Yale. A empresa levantou US $ 18 milhões em capital de risco e planeja " vencer os gigantes da computação " na corrida para criar um computador quântico viável.
IonQ
IonQ - Especialista em computação quântica de íons aprisionados. A empresa afirma que sua tecnologia "combina desempenho físico incomparável, replicação qubit perfeita, conectividade óptica e algoritmos altamente otimizados" para "criar um computador quântico que é tão escalável quanto poderoso e que suportará uma ampla variedade de aplicativos. em uma variedade de setores. " Se você quiser aprender mais sobre computação quântica, o site IonQ tem um ótimo tutorial .
Xanadu
Xanadu desenvolve a computação quântica fotônica integrando "chips fotônicos de silício quântico ao hardware existente para criar computação quântica totalmente funcional". Como observa a empresa, em comparação com outras tecnologias de qubit, “os fótons são muito estáveis e quase imunes a ruídos aleatórios do calor. Usamos chips fotônicos para gerar, controlar e medir fótons de maneiras que permitem uma computação extremamente rápida. ”
Honeywell
A Honeywell é outra empresa que usa computação quântica de íons presos . A empresa possui vasta experiência em computação empresarial. Em junho de 2020, a Honeywell anunciou o computador quântico de melhor desempenho do mundo. O resto das empresas estava céptico sobre isso. Mas, no entanto, este é outro desenvolvimento importante - especialmente desde que se soube que a holding financeira americana JPMorgan Chase já está experimentando esse sistema para desenvolver aplicativos de serviços financeiros, incluindo detecção de fraude e negociação controlada por IA.
Amazonas
A Amazon não anunciou nenhum desenvolvimento de hardware ou software para computação quântica. No entanto, em 2 de dezembro de 2019, a gigante lançou uma série de Amazon Web Services quânticos . Isso inclui o Amazon Bracket , que permite que cientistas, pesquisadores e desenvolvedores comecem a fazer experiências com computadores quânticos de vários fornecedores de hardware. Especificamente, os clientes podem acessar equipamentos dos sistemas Rigetti, Ion-Q e D-Wave, o que significa que eles podem experimentar sistemas baseados em três tecnologias qubit diferentes.
Além do Bracket, a Amazon também lançou o Amazon Quantum Solutions Lab... Ele foi projetado para ajudar as empresas a "se prepararem para a computação quântica", permitindo-lhes trabalhar com os principais especialistas. Portanto, a principal coisa que a Amazon faz com suas ofertas de computação quântica é atuar como um corretor de nuvem. Ou seja, para se tornar um intermediário entre os fabricantes de computadores quânticos e aqueles que desejam usar seus recursos.
Desenvolvedores de software de computador Quantum
Mesmo o computador quântico mais bem equipado não pode ser usado sem o software adequado, e muitos dos fabricantes dessas máquinas estão desenvolvendo o seu próprio. No entanto, o número de softwares de terceiros para computadores quânticos está crescendo constantemente.
1QBit
A 1QBit tem parceria com grandes empresas e "fornecedores líderes de hardware para solucionar desafios específicos de otimização, simulação e aprendizado de máquina". A empresa desenvolve software para processadores clássicos e quânticos.
CQC
Cambridge Quantum Computing desenvolve software de computação quântica para resolver os "problemas mais intrigantes" em campos como química quântica, aprendizado de máquina quântica e cibersegurança quântica. Os clientes incluem empresas de “algumas das maiores organizações de ciência química, energética, financeira e de materiais do mundo” que estão testando o poder da computação quântica.
QC Ware
A QC Ware desenvolve "software e serviços de computação quântica empresarial" com clientes como Airbus, BMW e Goldman Sachs, e parceiros de hardware como AWS, D-Wave Systems, Google, IBM, Microsoft e Rigetti.
QSimulate
QSimulate desenvolve software para "aproveitar o poder da modelagem quantitativa para resolver problemas farmacêuticos e químicos urgentes."
Rahko
Rahko cria software projetado para usar aprendizado de máquina quântica (IA quântica) para resolver problemas de química quântica.
Zapata
A Zapata trabalha com seus clientes para desenvolver software quântico para resolver problemas complexos de computação em áreas como química, finanças, logística, farmacêutica, engenharia mecânica e materiais.
Os aplicativos para computadores quânticos incluem modelagem molecular (também conhecida como química quântica), otimização logística, modelagem financeira, criptografia e treinamento de inteligência artificial. Algumas grandes empresas já estão explorando ativamente o que exatamente as máquinas quânticas podem fazer por sua pesquisa e desenvolvimento, produtos e serviços e seus resultados financeiros. Vou te dar alguns exemplos.
A Daimler está trabalhando com a IBM e o Google para investigar como os computadores quânticos podem ser usados em logística para otimizar as rotas de entrega de veículos ou o fluxo de peças nas fábricas. A empresa também está explorando como os computadores quânticos podem ser usados para modelar as estruturas químicas e reações dentro das baterias para ajudar a melhorar os veículos elétricos.
Outro gigante automotivo, a Volkswagen está trabalhando com o Google e a D-Wave Systems para aplicar computadores quânticos para resolver problemas de otimização de tráfego e desenvolver baterias melhores.
No setor financeiro, o JPMorgan está trabalhando com a IBM para estudar como os computadores quânticos podem ajudar a projetar estratégias de negociação, otimização de portfólio, precificação de ativos e análise de risco. Outro conglomerado financeiro, o Barclays, está participando da IBM Q Network para ver se os computadores quânticos podem ser usados para otimizar a liquidação de grandes lotes de transações financeiras.
Em 2011, a gigante aeroespacial Lockheed Martintornou-se o primeiro comprador de um computador quântico fabricado pela D-Wave Systems e continuou a explorar a possibilidade de usar essa tecnologia para aplicações que incluem controle de tráfego aéreo e verificação de sistema. A Airbus também está explorando como os computadores quânticos podem acelerar suas atividades de pesquisa e investiu na QC Ware, uma empresa de software para máquinas quânticas.
Enquanto isso, Accenture Labs e empresa de biotecnologia Biogenestão colaborando com 1QBit para explorar como a descoberta de drogas pode ser acelerada usando computadores quânticos para comparações moleculares. Em setembro de 2017, a IBM usou seu hardware de 7 qubit para modelar a estrutura de uma molécula triatômica de hidreto de berílio. Em outubro de 2017, o Google e a Rigetti também anunciaram o OpenFermion , um programa de simulação de processos químicos em um computador quântico.
Futuro quântico
Espero que este artigo tenha mostrado como a computação quântica vai da fantasia à realidade muito rapidamente. É razoável supor que, na década de 1920, supercomputadores quânticos estarão disponíveis na nuvem, os quais encontrarão aplicações práticas a baixo custo. É possível que em uma década os principais serviços de pesquisa da Internet e IA em nuvem explorem o poder das máquinas quânticas sem que a maioria dos usuários perceba.
Para quem deseja saber mais, aqui estão algumas fontes selecionadas para obter mais informações:
- Kevin Hartnett, The Dawn of Quantum Computing , Quanta Magazine, 18 de junho de 2019
- Masoud Mohseni 2017, artigo "Comercialização de tecnologias quânticas iniciais"
- Artigo de John Preskill "Quantum Computing in the NISQ Era and Beyond" de 2018
- IonQ Tecnologia website
- Vídeo da D-Wave Systems que explica o recozimento quântico
- Site IBM-Q
- Site Microsoft Quantum Computing
- Site do Google Quantum AI
- Blog de notícias da Intel Quantum Computing
- Site da D-Wave Systems
- Site da Quantum Circuits
- Site do HQS Quantum Simulations
No livro " Digital Genesis " de Christopher Barnatt, autor deste artigo e explicatingcomputers.com, você pode ler sobre a computação quântica e muito mais sobre os desenvolvimentos futuros da computação, como os computadores orgânicos.
